Multimodal investigation of neuronal circuits involved in execution and inhibition of self determined and externally guided movements in Tourette syndrome

Gilles de la Tourette syndrome (GTS) is characterised by motor and phonic tics, i.e. sudden, repetitive, stereotyped movements or phonic productions preceded by an inner urge to move that can transiently be suppressed. An increased sensitivity to external stimuli triggering typical tics and mirror behaviour (echopraxia) are other salient feature of GTS. The presence of urges suggests that cortical areas engaged in decisions to move or not to move, predominantly frontomesial circuits including the supplementary motor area are involved in the generation of tics. Increased responsiveness to certain external stimuli might reflect abnormalities in dorsal premotor-motor circuits. Echopraxia points at dysfunctions in networks responsible for automatic imitative response tendencies, i.e. the human mirror neuron system including the ventral premotor cortex. In the intended projects we will therefore examine the functional neuroanatomy of frontomesial- and premotor-motor circuits in GTS using fMRI, DTI, MEG and TMS. In project 1, task related brain activity (fMRI and MEG), structural connectivity (DTI) and excitability (TMS) will be studied during execution and suppression of self-determined movements engaging frontomesial-motor circuits and responses determined by symbolic visual cues involving dorsal premotor-motor circuits, respectively. In project 2, echophenomena will be studied during observation and execution of simple finger movements and during observation of facial expressions and facial tics using the same methods. We hypothesise that in GTS i) activation in frontomesial networks will be increased, ii) physiological segregation of cortical 3 networks engaged in self generated and externally determined movements, respectively, will be reduced and iii) the human mirror system will be overactive.

Mit Hilfe psychophysikalischer und neurophysiologischer Untersuchungen an GTS-Patienten ohne Medikation und psychiatrische Komorbiditäten ist es uns gelungen, wichtige Einsichten in die Neurophysiologie des Tourette-Syndroms zu gewinnen. Erstens konnten wir Veränderungen der funktionellen Mechanismen und neuronalen Substrate nachweisen, die der Planung, Ausführung (einschließlich Imitation) und Hemmung von Willkürbewegungen zu Grunde liegen: Mit MEG (Projekt 1, Experiment 2) fanden wir bei GTS-Patienten im beta-Frequenzband erhöhte Aktivierung vor und während der Ausführung selbst-getakteter Bewegungen, gefolgt von erhöhter Hemmung nach Beenden der Bewegungen. Dies legt eine überhöhte Aktivierung des motorischen Kortex nahe, die möglicherweise stärkere Hemmung nach sich zieht. Die außerdem verstärkte M1-SMA-Kohärenz im beta-Frequenzband könnte einen Anpassungsmechanismus des motorischen Systems darstellen, welcher die genaue Ausführung von Willkürbewegungen bei GTS ermöglicht. In unserer kombinierten TMS-DTI-Studie (Projekt 1, Experiment 4) zeigten wir eine abweichende funktionelle Interhemisphären-Konnektivität bei GTS, die begleitet ist von einem ebenfalls abweichenden Verhältnis zwischen Struktur und Funktion im motorischen Anteil des Balkens. Unsere Verhaltensstudie (Projekt 2, Experiment 1) erbrachte bei GTS-Patienten anomale Effekte der Beobachtung von Bewegungen auf die Ausführung von Bewegungen. Dies reflektiert möglicherweise eine Überaktivierung des funktionellen Mechanismus, der beobachtete und ausgeführten Bewegungen abgleicht (action observation-execution matching). Zweitens konnten wir bei GTS auch Anomalitäten innerhalb des somatosensorischen Systems aufzeigen: Mit DTI (Projekt 1, Experiment 3) demonstrierten wir eine abweichende Mikrostruktur der somatosensorischen Faserverbindungen, insbesondere unterhalb des primären sensorischen Kortex. Dieser Befund wirft neues Licht auf frühere Studien mit übereinstimmenden Ergebnissen, da er auf eine gestörte Interaktion von Sensorik und Motorik bei GTS hinweist. Unter Verwendung von MEG (Projekt 1, Experiment 5) und elektrischer Stimulation des Medianus-Nervs beobachteten wir Unterschiede bezüglich ERD und ERS im alpha- Frequenzband, welche sehr wahrscheinlich Abweichungen in späten Phasen somatosensorischer Verarbeitung darstellen. Drittens gelang es uns, den ersten wissenschaftlichen Beleg dafür zu erbringen, dass Echopraxie bei GTS-Patienten in einem experimentellen Setting ausgelöst werden kann. Angesichts unsere vorhergehenden Verhaltensergebnisse (Projekt 2, Experiment 1) lässt dies die Annahme zu, dass das Spiegelneuronensystem eine Rolle bei der Entstehung von Echophänomenen spielt. Daher könnte GTS eine geeignete Modellerkrankung für ein überaktives oder mangelhaft kontrolliertes Spiegelneuronensystem darstellen.